DE102016214883B4 - Valve made of a ceramic material and a method for its manufacture - Google Patents

Valve made of a ceramic material and a method for its manufacture Download PDF

Info

Publication number
DE102016214883B4
DE102016214883B4 DE102016214883.4A DE102016214883A DE102016214883B4 DE 102016214883 B4 DE102016214883 B4 DE 102016214883B4 DE 102016214883 A DE102016214883 A DE 102016214883A DE 102016214883 B4 DE102016214883 B4 DE 102016214883B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
base body
membrane
ceramic material
cavity
valve
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
DE102016214883.4A
Other languages
German (de)
Other versions
DE102016214883A1 (en
Inventor
Adrian Goldberg
Uwe Partsch
Steffen Ziesche
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority to DE102016214883.4A priority Critical patent/DE102016214883B4/en
Priority to PCT/EP2017/070019 priority patent/WO2018029170A1/en
Priority to EP17757482.9A priority patent/EP3497357B1/en
Publication of DE102016214883A1 publication Critical patent/DE102016214883A1/en
Application granted granted Critical
Publication of DE102016214883B4 publication Critical patent/DE102016214883B4/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • F16K99/0001—Microvalves
    • F16K99/0003—Constructional types of microvalves; Details of the cutting-off member
    • F16K99/0015—Diaphragm or membrane valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K7/00—Diaphragm valves or cut-off apparatus, e.g. with a member deformed, but not moved bodily, to close the passage ; Pinch valves
    • F16K7/12—Diaphragm valves or cut-off apparatus, e.g. with a member deformed, but not moved bodily, to close the passage ; Pinch valves with flat, dished, or bowl-shaped diaphragm
    • F16K7/14—Diaphragm valves or cut-off apparatus, e.g. with a member deformed, but not moved bodily, to close the passage ; Pinch valves with flat, dished, or bowl-shaped diaphragm arranged to be deformed against a flat seat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • F16K99/0001—Microvalves
    • F16K99/0034—Operating means specially adapted for microvalves
    • F16K99/0036—Operating means specially adapted for microvalves operated by temperature variations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • F16K99/0001—Microvalves
    • F16K99/0034—Operating means specially adapted for microvalves
    • F16K99/0042—Electric operating means therefor
    • F16K99/0046—Electric operating means therefor using magnets
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • F16K99/0001—Microvalves
    • F16K99/0034—Operating means specially adapted for microvalves
    • F16K99/0042—Electric operating means therefor
    • F16K99/0048—Electric operating means therefor using piezoelectric means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • F16K2099/0073—Fabrication methods specifically adapted for microvalves
    • F16K2099/008—Multi-layer fabrications

Abstract

Ventil aus einem keramischen Werkstoff, das aus einem ersten Grundkörper (100) und einem zweiten Grundkörper (200) mittels eines Fügematerials (300) zusammengefügt ist und zwischen dem ersten und dem zweiten Grundkörper (100, 200) eine Kavität (204) ausgebildet ist, wobeider erste und der zweite Grundkörper (100, 200) jeweils aus mehreren Schichten eines keramischen Werkstoffs gebildet ist, undin dem ersten Grundkörper (100)eine Zuführung (102) für ein Fluid in die Kavität (204) in einer dem zweiten Grundkörper (200) zugewandten Wand (104) ausgebildet ist, undauf der Oberfläche der Wand (104) im Inneren der Kavität (204) ein Dichtelement (101) umlaufend um die Zuführung (102) aufgebracht ist, undin der Kavität (204) zwischen dem ersten Grundkörper (100) und dem zweiten Grundkörper (200) eine Membran (206), die aus einem keramischen Werkstoff gebildet und elastisch verformbar ist, fixiert ist, und eine Durchführung (207) für das Fluid in Form einer Bypassleitung ausgebildet ist, undin dem zweiten Grundkörper (200) eine Abführung (205) für das Fluid von der Kavität (204) aus dem Ventil heraus ausgebildet sind.Valve made of a ceramic material, which is assembled from a first base body (100) and a second base body (200) by means of a joining material (300) and a cavity (204) is formed between the first and the second base body (100, 200), wherein the first and the second base body (100, 200) are each formed from a plurality of layers of a ceramic material, and in the first base body (100) a feed (102) for a fluid into the cavity (204) in one of the second base body (200) facing wall (104), and on the surface of the wall (104) inside the cavity (204) a sealing element (101) is applied circumferentially around the feed (102), and in the cavity (204) between the first base body (100 ) and the second base body (200), a membrane (206), which is formed from a ceramic material and is elastically deformable, is fixed, and a passage (207) for the fluid is designed in the form of a bypass line, and in d A discharge (205) for the fluid from the cavity (204) out of the valve is formed in the second base body (200).

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil aus einem keramischen Werkstoff und ein Verfahren zu seiner Herstellung.The invention relates to a valve made of a ceramic material and a method for its manufacture.

Zur Steuerung von technischen und chemischen Prozessen in der Industrie, sowie zur Regelung von komplexen Systemen, wie beispielsweise in fluidischen oder mikrofluidischen Systemen, sind Ventile erforderlich. Je nach Einsatzort und Bedingungen werden aktive, d.h. durch äußere Anregung öffnende bzw. schließende Ventile, oder passive Ventile, die durch Gegendruck in eine Richtung öffnen und schließen, benötigt. Besonders bei Einsatzbedingungen mit erhöhten Temperaturen (>100°C) oder für chemisch aggressive Medien sind spezielle Ventile erforderlich, die auch über einen längerem Zeitraum, zum Teil über mehrere Jahre, funktionsfähig sind.Valves are required to control technical and chemical processes in industry and to regulate complex systems, such as in fluidic or microfluidic systems. Depending on the place of use and the conditions, active valves, i.e. valves that open or close due to external stimuli, or passive valves that open and close in one direction due to back pressure, are required. Special valves that are functional over a longer period of time, in some cases several years, are required particularly under operating conditions with increased temperatures (>100°C) or for chemically aggressive media.

Hier stoßen die üblicherweise eingesetzten Materialien, wie Metalle oder Halbleiter an ihre Grenzen. Ein weiterer wesentlicher Aspekt für immer komplexer und kleiner werdende Systeme ist die Miniaturisierung aller Komponenten, um somit neben der erreichbaren Platzersparnis die Kosten weiter zu senken.This is where the materials usually used, such as metals or semiconductors, reach their limits. Another essential aspect for increasingly complex and smaller systems is the miniaturization of all components in order to further reduce costs in addition to the space savings that can be achieved.

Mit den Standardfertigungsverfahren der Feinwerkmechanik, im Regelfall der Formgebung von metallischen Werkstoffen, ist der erreichbare Miniaturisierungsgrad eingeschränkt. Die für die Massenfertigung taugliche Halbleitertechnologie bietet den Vorteil der Miniaturisierung, ist aber durch die physikalischen Eigenschaften des Basismaterials Silizium in ihren Einsatzbedingungen, wie der Stabilität unter mechanischer Belastung und Stabilität unter aggressiven Medien, begrenzt.The achievable degree of miniaturization is limited with the standard manufacturing processes of precision mechanics, usually the shaping of metallic materials. The semiconductor technology, which is suitable for mass production, offers the advantage of miniaturization, but is limited by the physical properties of the base material silicon in its application conditions, such as stability under mechanical stress and stability under aggressive media.

Die keramische Mehrlagentechnik ist ebenfalls eine für die Massenfertigung geeignete Technologie, die es ermöglicht, mehrlagige Verdrahtungsträger für die Elektronik sowie mikrosystemtechnische Komponenten kostengünstig zu fertigen. Neben der 3D-Integration der in der Mehrlagenkomponente benötigten Leiterbahnen und Durchkontaktierungen von Ebene zu Ebene, der sog. Vias, erlaubt die keramischen Mehrlagentechnologie die Integration passiver Bauelemente wie Spulen, Widerstände und Kondensatoren. Hohe Packungsdichten, Hochfrequenztauglichkeit, enorme Widerstandsfähigkeit gegen Umwelteinflüsse und hohe Zuverlässigkeit zeichnen keramische Mehrlagenkomponenten aus. Dennoch fehlen hier bisher industrietaugliche Konzepte für die Herstellung von Ventilen mittels keramischer Mehrlagentechnologie.Ceramic multi-layer technology is also a technology suitable for mass production, which makes it possible to manufacture multi-layer wiring carriers for electronics and microsystem components at low cost. In addition to the 3D integration of the conductor tracks and platings from level to level required in the multi-layer component, the so-called vias, the ceramic multi-layer technology allows the integration of passive components such as coils, resistors and capacitors. Ceramic multi-layer components are characterized by high packing densities, high-frequency suitability, enormous resistance to environmental influences and high reliability. However, industrial concepts for the manufacture of valves using ceramic multi-layer technology have so far been lacking.

Miniaturisierte Ventile bestehen aus einer Kombination von Werkstoffen unterschiedlicher Härte. Die übliche Kombination ist ein harter Verschluss aus einem keramischen Material, einem metallischen Material oder Silizium, und eine weiche Dichtung, wie z. B. aus einem Polymer. So wird beispielsweise auf einen keramischen Träger (LTCC) eine flexible Membran aus Polymeren aufgebracht und diese mittels einer aufgebrachten piezoelektrischen Schicht ausgelenkt.Miniaturized valves consist of a combination of materials of different hardness. The usual combination is a hard seal made of a ceramic material, a metallic material or silicon, and a soft seal such as a rubber seal. B. from a polymer. For example, a flexible membrane made of polymers is applied to a ceramic carrier (LTCC) and this is deflected by means of an applied piezoelectric layer.

Ein weiteres bekanntes Beispiel für Miniaturisierung ist eine Kombination einer silizium-basierten Membran und einer Kanalführung in LTCC, wobei die Auslenkung der Membran durch eine in die LTCC eingebettete Luftspule oder mit Hilfe eines Heizers als thermischem Aktor erfolgt.Another well-known example of miniaturization is a combination of a silicon-based membrane and channeling in LTCC, with the membrane being deflected by an air coil embedded in the LTCC or with the aid of a heater as a thermal actuator.

Ein weitere bekannte Ausführungsvariante basiert auf einem mehrlagigen keramischen Substrat in Verbindung mit einer Siliziummembran, bei der die Siliziummembran durch in die Keramik eingebettete Mikrokanäle und durch ein sich infolge thermischer Aktivierung ausdehnendes Fluid bewegt wird.Another known design variant is based on a multi-layer ceramic substrate in connection with a silicon membrane, in which the silicon membrane is moved through micro-channels embedded in the ceramic and through a fluid that expands as a result of thermal activation.

Aber auch klassische Kombinationen mit Gehäuse und Druckfeder aus Stahl und einem Verschluss aus einem keramischen Werkstoff in feinwerktechnischer Fertigung finden Anwendung bei erhöhten Temperaturen oder aggressiven Medien.However, classic combinations with housing and compression spring made of steel and a closure made of ceramic material with precision engineering are also used at elevated temperatures or in aggressive media.

In der Literatur wird auch eine reine LTCC-Variante beschrieben, bei der das entwickelte Rückschlagventil den Fluidkanal mit Hilfe eines sich im Medium bewegenden keramischen Formstücks verschlossen wird.A pure LTCC variant is also described in the literature, in which the developed non-return valve closes the fluid channel with the help of a ceramic fitting moving in the medium.

Die bisherigen Lösungen weisen mindestens je einen der folgenden Nachteile auf:

  • • Der Herstellungsaufwand ist sehr hoch.
  • • Der Miniaturisierungsgrad ist begrenzt.
  • • Die Eigenschaften der Aktoren sind für die Anwendungen zum Teil ungeeignet.
  • • Der Energiebedarf der Ventile ist hoch.
The previous solutions each have at least one of the following disadvantages:
  • • The production costs are very high.
  • • The degree of miniaturization is limited.
  • • Some of the properties of the actuators are unsuitable for the applications.
  • • The energy requirement of the valves is high.

Zudem verhindern individuelle lösungsspezifische Nachteile den praktischen Einsatz.In addition, individual solution-specific disadvantages prevent practical use.

So ist aus EP 0 170 909 A1 eine piezokeramische Ventilplatte für ein Niederdruckeinspritzventil und ein Herstellungsverfahren dazu bekannt.That's it EP 0 170 909 A1 a piezoceramic valve plate for a low-pressure injection valve and a manufacturing method for this is known.

WO 2010 / 049 092 A1 betrifft Mikroventil in keramischer Mehrlagentechnik sowie dessen Verwendung.WO 2010/049 092 A1 relates to a microvalve in ceramic multi-layer technology and its use.

Aus US 5 785 295 A geht ein Mikroventil zur thermischen Steuerung hervor.the end U.S. 5,785,295 A a microvalve for thermal control emerges.

Ein thermopneumatisches Mikroventil auf Basis eines Phasenwechselmaterials ist in DE 10 2008 054 220 A1 beschrieben.A thermopneumatic microvalve based on a phase change material is in DE 10 2008 054 220 A1 described.

Die Offenbarung von WO 2008 / 058 406 A1 betrifft eine Vakuummembranzelle und ein Verfahren zur Herstellung dieser Zelle.The disclosure of WO 2008/058406 A1 relates to a vacuum membrane cell and a method for producing this cell.

In US 6 123 316 A ist ein Leitungssystem für ein Ventilarray beschrieben.In U.S. 6,123,316 A describes a line system for a valve array.

Ein Fördersystem für Fluide geht aus US 2013 / 0 255 801 A1 hervor.A delivery system for fluids emerges from US 2013/0 255 801 A1.

Eine integrierte mikrofluidische mehrschichtige Anordnung und ein Herstellungsverfahren sind in US 6 572 830 B1 offenbart.An integrated microfluidic multilayer assembly and fabrication method are in U.S. 6,572,830 B1 disclosed.

DE 10 2007 028 240 B3 betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines keramischen Mehrschichtkörpers mit lateral strukturierter Keramiklage. DE 10 2007 028 240 B3 relates to a method for producing a ceramic multi-layer body with a laterally structured ceramic layer.

EP 2 548 734 A1 beschreibt eine keramische Mehrlagenstruktur und ein Herstellungsverfahren dazu. EP 2 548 734 A1 describes a ceramic multilayer structure and a manufacturing process for it.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Ventil und ein Verfahren zu seiner Herstellung vorzuschlagen, wobei die benannten Nachteile vermieden werden und eine weitere Miniaturisierung erreicht werden kann.It is therefore the object of the invention to propose a valve and a method for its production, in which case the disadvantages mentioned are avoided and further miniaturization can be achieved.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Ventil, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, und einem Verfahren zu seiner Herstellung nach Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können Merkmalen, die in den untergeordneten Ansprüchen beschrieben sind, realisiert werden.According to the invention, the object is achieved with a valve having the features of claim 1 and a method for its production according to claim 11. Advantageous refinements and developments of the invention can be implemented with features that are described in the subordinate claims.

Ein erfindungsgemäßes Ventil aus einem keramischen Werkstoff ist aus einem ersten Grundkörper und einem zweiten Grundkörper gebildet. Die Grundkörper sind mittels eines Fügematerials zusammengefügt und bilden dabei eine Kavität zwischen dem ersten und dem zweiten Grundkörper aus.A valve according to the invention made of a ceramic material is formed from a first base body and a second base body. The base bodies are joined together by means of a joining material and form a cavity between the first and the second base body.

Die Grundkörper sind jeweils aus mehreren Lagen eines keramischen Werkstoffs gebildet.The base bodies are each formed from several layers of a ceramic material.

In dem ersten Grundkörper ist auf einer dem zweiten Grundkörper zugewandten Wand eine Zuführung für ein Fluid in die zwischen den Grundkörpern gebildete Kavität ausgebildet. Außerdem ist auf der Oberfläche der Wand im Inneren der Kavität ein Dichtelement umlaufend um die Zuführung für das Fluid aufgebracht.A feed for a fluid into the cavity formed between the base bodies is formed in the first base body on a wall facing the second base body. In addition, a sealing element is applied to the surface of the wall inside the cavity around the inlet for the fluid.

In der Kavität zwischen dem ersten und dem zweiten Grundkörper ist eine Membran fixiert, die aus einem keramischen Werkstoff gebildet und elastisch verformbar ist. In der Kavität ist weiterhin eine Durchführung für das Fluid in Form einer Bypassleitung ausgebildet. Durch die Durchführung kann das Fluid bei geöffnetem Ventil, also wenn die Membran von dem Dichtelement abgehoben ist, durch die Kavität und eine Abführung, die in dem zweiten Grundkörper ausgebildet ist, aus dem Ventil austreten.A membrane is fixed in the cavity between the first and the second base body, which membrane is formed from a ceramic material and is elastically deformable. A passage for the fluid in the form of a bypass line is also formed in the cavity. When the valve is open, that is to say when the membrane is lifted from the sealing element, the passage allows the fluid to exit the valve through the cavity and a discharge which is formed in the second base body.

Die Schichten aus einem keramischen Werkstoff und/oder die Membran können aus LTCC, HTCC, Glas- und/oder Glas-Keramik-Komposit gebildet sein. Bevorzugt sind die Schichten und die Membran aus dem gleichen Werkstoff gebildet. Das Fügematerial kann ein Glaslot, ein Aktivlot oder ein Klebstoff sein.The layers made of a ceramic material and/or the membrane can be made of LTCC, HTCC, glass and/or glass-ceramic composite. The layers and the membrane are preferably formed from the same material. The joining material can be a glass solder, an active solder or an adhesive.

Die Grundfläche der zwischen den Grundkörpern fixierten Membran ist bevorzugt rund. Durch die Dicke, den Querschnitt über die Fläche und/oder den Durchmesser der Membran kann in Abhängigkeit von dem Werkstoff, aus dem die Membran gebildet ist, die Membranfederkonstante eingestellt werden. Damit ist eine gezielte Einstellung des Öffnungsdruckes und des gesamten Öffnungsverhaltens der Membran möglich. An der Oberfläche der Membran können Erhebungen und/oder Vertiefungen ausgebildet sein, die ein abgestuftes Öffnen ermöglichen.The base area of the membrane fixed between the base bodies is preferably round. Depending on the material from which the membrane is made, the membrane spring constant can be adjusted by the thickness, the cross section over the area and/or the diameter of the membrane. This enables the opening pressure and the entire opening behavior of the diaphragm to be set in a targeted manner. Elevations and/or depressions can be formed on the surface of the membrane, which allow a graduated opening.

Auf der dem ersten Grundkörper zugewandten Oberfläche der Membran kann im Bereich des Dichtelements ein Verschlusselement aufgebracht sein. Das Verschlusselement sollte bevorzugt aus einem Polymer, insbesondere aus einem Elastomer, gebildet sein. Durch eine gezielte Auswahl des Polymers kann eine hohe Fluiddichtheit und eine erhöhte Einsatztemperatur für das Ventil von bis zu 300 °C erreicht werden.A closure element can be applied to the surface of the membrane facing the first base body in the area of the sealing element. The closure element should preferably be formed from a polymer, in particular from an elastomer. By carefully selecting the polymer, a high level of fluid tightness and an increased operating temperature for the valve of up to 300 °C can be achieved.

Das Dichtelement kann aus einem Glas oder einem keramischen Werkstoff gebildet sein. Der keramische Werkstoff kann dabei der gleiche Werkstoff wie der Werkstoff für die Schichten und/oder für die Membran sein.The sealing element can be made of a glass or a ceramic material. The ceramic material can be the same material as the material for the layers and/or for the membrane.

Mittels der Schichtdicke(n) des Verschlusselements und/oder des Dichtelements kann die Vorspannung der Membran beeinflusst werden. Damit kann der Öffnungsdruck und das Öffnungsverhalten der Membran weiter beeinflusst und eingestellt werden.The prestressing of the membrane can be influenced by means of the layer thickness(es) of the closure element and/or the sealing element. The opening pressure and the opening behavior of the membrane can thus be further influenced and adjusted.

Zur Ausbildung eines aktiven Ventils kann auf der Membran mindestens ein aktorisch wirkendes Element ausgebildet sein. Dies kann bevorzugt ein piezoaktives, ein thermisch aktives, ein elektrisch aktives und/oder ein elektromagnetisch aktives Element sein. Mittels eines aktorischen Elements kann das Ventil gezielt geöffnet bzw. geschlossen werden.At least one actuating element can be formed on the membrane to form an active valve. This can preferably be a piezoactive, a thermally active, an electrically active and/or an electromagnetically active element to be The valve can be opened or closed in a targeted manner by means of an actuator element.

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Ventils werden in einer ersten Alternative ein erster Grundkörper und ein zweiter Grundkörper aus mehreren übereinander aufgebrachten Schichten, die aus einem keramischen Werkstoff gebildet sind, jeweils in Form einer Suspension oder einer Paste mittels Siebdruck oder Schablonendruck in einer definierten Geometrie unter Ausbildung der Zuführung und der Abführung für das Fluid ausgebildet.In a method for producing a valve according to the invention, in a first alternative, a first base body and a second base body are made from a plurality of layers applied one on top of the other and made of a ceramic material, each in the form of a suspension or a paste by means of screen printing or stencil printing in a defined geometry designed to form the supply and discharge for the fluid.

Zur Ausbildung der Durchführung für das Fluid und der Kavität in den Grundkörpern wird in den Grundkörpern jeweils innerhalb mindestens einer Schicht ein weiterer Werkstoff, der bei einer thermischen Behandlung entfernbar ist, in Form einer Paste oder Suspension mittels Siebdruck oder Schablonendruck in einer definierten Geometrie und Dicke aufgebracht. Als weiterer Werkstoff kann/können Epoxidharz, Polyvenylalkohol (PVA), Polyvenylbutyral (PVB), Polyvenylidenflourid (PVDF), Alginate, Acrylate, Cellulosen, Ruß oder Graphit verwendet werden.To form the feedthrough for the fluid and the cavity in the base bodies, another material that can be removed during thermal treatment, in the form of a paste or suspension using screen printing or stencil printing, is placed within at least one layer in the base bodies in a defined geometry and thickness upset. Epoxy resin, polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl butyral (PVB), polyvinylidene fluoride (PVDF), alginates, acrylates, celluloses, carbon black or graphite can be used as a further material.

In einer zweiten Alternative werden die Grundkörper aus mehreren Schichten, die mit einem pulverförmigen keramischen Werkstoff und einem Binder gebildet und als Grünfolien mit einer definierten Geometrie ausgebildet sind, unter Ausbildung der Kavität, der Zuführung, der Durchführung und der Abführung für das Fluid übereinander gestapelt und laminiert.In a second alternative, the base bodies are made of several layers, which are formed with a powdered ceramic material and a binder and are designed as green sheets with a defined geometry, stacked on top of each other to form the cavity, the supply, the passage and the discharge for the fluid and laminated.

Die zwischen den Grundkörpern fixierte Membran wird ausgebildet, indem auf einer dem ersten Grundkörper zugewandten Oberfläche des zweiten Grundkörpers in der Kavität mindestens eine weitere Schicht aus einem keramischen Werkstoff mittels Siebdruck oder Schablonendruck in einer definierten Geometrie und Dicke zur Ausbildung der elastisch verformbaren Membran über den weiteren Werkstoff, der bei einer thermischen Behandlung entfernbar ist, aufgebracht wird. In einer alternativen Ausführungsform wird die Membran aus mindestens einer Schicht, die aus einem keramischen Werkstoff gebildet und als Grünfolie in einer definierten Geometrie ausgebildet ist, auf den zweiten Grundkörper aufgebracht und laminiert.The membrane fixed between the base bodies is formed by applying at least one further layer of a ceramic material in the cavity on a surface of the second base body facing the first base body by means of screen printing or stencil printing in a defined geometry and thickness to form the elastically deformable membrane over the further Material that can be removed during thermal treatment is applied. In an alternative embodiment, the membrane is made of at least one layer, which is formed from a ceramic material and is designed as a green sheet with a defined geometry, applied to the second base body and laminated.

Auf der dem zweiten Grundkörper zugewandten Wand des ersten Grundkörpers wird in der Kavität umlaufend um die Zuführung für das Fluid ein Dichtelement mit einer definierten Form und Dicke in Form einer Suspension oder Paste mittels Siebdruck oder Schablonendruck oder in Form mindestens einer entsprechend geformten und dimensionierten Grünfolie aufgebracht.On the wall of the first base body facing the second base body, a sealing element with a defined shape and thickness in the form of a suspension or paste is applied by means of screen printing or stencil printing or in the form of at least one correspondingly shaped and dimensioned green film in the cavity surrounding the supply for the fluid .

Der Schichtaufbau des ersten und des zweiten Grundkörpers werden bei einer thermischen Behandlung gesintert. Falls ein weiterer Werkstoff zur Ausbildung der Kavität und/oder der Durchführungen für das Fluid in den ersten und/oder zweiten Grundkörper eingebracht wurde, wird dieser bei der thermischen Behandlung entfernt.The layered structure of the first and second base bodies are sintered during a thermal treatment. If another material was introduced into the first and/or second base body to form the cavity and/or the passages for the fluid, this is removed during the thermal treatment.

Nach der thermischen Behandlung werden der erste und der zweite Grundkörper mit einem Fügematerial zusammen gefügt.After the thermal treatment, the first and the second base body are joined together with a joining material.

Nach der thermischen Behandlung und vor dem Zusammenfügen des ersten und zweiten Grundkörpers kann auf einer dem ersten Grundkörper zugewandten Oberfläche der Membran im Bereich des Dichtelements ein Verschlusselement aufgebacht werden. Dieses kann in Form einer Suspension oder Paste mittels Siebdruck oder Schablonendruck aufgebacht werden.After the thermal treatment and before the joining of the first and second base bodies, a closure element can be applied to a surface of the membrane facing the first base body in the region of the sealing element. This can be applied in the form of a suspension or paste using screen printing or stencil printing.

Die Schichten aus einem keramischen Werkstoff sollten mit Dicken im Bereich von 10 µm bis 500 µm ausgebildet werden. Die Membran sollte mit Dicken im Bereich von 10 µm bis 500 µm ausgebildet werden.The layers of a ceramic material should be formed with thicknesses in the range from 10 μm to 500 μm. The membrane should be formed with thicknesses ranging from 10 µm to 500 µm.

Die Bereiche zum Einbringen eines weiteren Werkstoffs und/oder zur Ausbildung von Hohlräumen können durch Prägen und/oder Ablation von noch nicht gesinterten keramischen Werkstoffen ausgebildet werden.The areas for introducing another material and/or for forming cavities can be formed by embossing and/or ablation of ceramic materials that have not yet been sintered.

Auf der Membran kann mindestens ein aktorisch wirkendes Element aufgebracht werden, so dass ein aktives Ventil gebildet wird. Das Aufbringen kann mittels Siebdruck, Lamination und/oder mittels formschlüssigem Verbinden erreicht werden. Der Werkstoff zur Ausbildung des aktorischen Elements kann vor dem Fügen der Grundkörper thermisch behandelt, z.B. gehärtet oder gesintert werden.At least one actuating element can be applied to the membrane, so that an active valve is formed. The application can be achieved by means of screen printing, lamination and/or by means of form-fitting connection. The material used to form the actuator element can be thermally treated, e.g. hardened or sintered, before the base body is joined.

Durch die Entwicklung von passiven oder aktiven Ventilen aus Mehrlagenkeramik wird die Lücke zwischen den mittels Halbleiterprozessen gefertigten siliziumbasierten Komponenten und den durch Feinwerktechnik gefertigten metallischen Komponenten geschlossen. Dabei werden etablierte Materialsysteme, wie keramische Grünfolien oder keramikkompatible Funktionspasten, genutzt.The development of passive or active valves made of multi-layer ceramics closes the gap between the silicon-based components manufactured using semiconductor processes and the metallic components manufactured using precision engineering. Established material systems such as ceramic green tapes or ceramic-compatible functional pastes are used.

Eine Umsetzung solcher Systeme in Mehrlagenkeramik erlaubt die geringe Strukturgrößen und weist zudem eine hohe chemische Resistenz, hohe Temperaturbeständigkeit und eine hohe Packungsdichte auf. Außerdem wird durch die Verwendung der Mehrlagenkeramik zur Ausbildung mehrerer Strukturen auf einem Substrat analog zur Halbleitertechnologie eine Kostenoptimierung erreicht.An implementation of such systems in multi-layer ceramics allows the small structure sizes and also has a high chemical resistance, high temperature resistance and a high packing density. In addition, cost optimization is achieved through the use of multi-layer ceramics to form a plurality of structures on a substrate, analogously to semiconductor technology.

Durch die Ausbildung der Membran mittels Siebdruck oder Schablonendruck können sehr dünne Membranen aus keramischem Werkstoff ausgebildet werden, die sich an den Grundkörper und Dichtelement anlegen und somit einen Schutz vor Zerstörung den Ventils oder einem in Strömungsrichtung nach dem Ventil angeordneten System bilden. Andererseits ist durch die Verwendung von Druckverfahren eine weitere Miniaturisierung erreichbar.By forming the membrane using screen printing or stencil printing, very thin membranes made of ceramic material can be formed, which rest on the base body and sealing element and thus protect the valve or a system arranged downstream of the valve in the flow direction from being destroyed. On the other hand, further miniaturization can be achieved by using printing processes.

Die offenbarten Ventile können mit anderen mehrlagenkeramischen Komponenten, wie z. B. Mikroreaktoren, mehrlagenkeramischen Brennstoffzellen oder fluidischer Sensorik ergänzt und kombiniert werden. Sie können beispielsweise in Mikropumpen, insbesondere für chemisch aggressive Medien und Hochtemperaturanwendungen in allen Industriebereichen, oder zur Ausbildung von Mikroreaktoren oder Mikromischern Anwendung finden.The disclosed valves can be combined with other multi-layer ceramic components, such as e.g. B. microreactors, multi-layer ceramic fuel cells or fluidic sensors can be supplemented and combined. For example, they can be used in micropumps, especially for chemically aggressive media and high-temperature applications in all industrial sectors, or for the formation of microreactors or micromixers.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft erläutert werden.The invention will be explained below by way of example.

Dabei zeigen:

  • 1 eine beispielhafte Ausführungsform eines passiven Ventils in einer Draufsicht und zwei Schnittdarstellungen, und
  • 2 eine beispielhafte Ausführungsform eines aktiven Ventils in einer Draufsicht und einer Schnittdarstellung.
show:
  • 1 an exemplary embodiment of a passive valve in a plan view and two sectional views, and
  • 2 an exemplary embodiment of an active valve in a plan view and a sectional view.

1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines passiven Ventils, wobei in 1a eine Draufsicht und in 1b ein Querschnitt durch das Ventil dargestellt ist. 1c zeigt das Ventil in geöffneter Stellung. 1 shows an exemplary embodiment of a passive valve, wherein in 1a a top view and in 1b a cross section through the valve is shown. 1c shows the valve in the open position.

Das Ventil ist aus einem ersten Grundkörper 100 und einem zweiten Grundkörper 200 gebildet, die jeweils aus mehreren Schichten aus einem keramischen Werkstoff gebildet sind. Die Anzahl der Schichten, die den ersten Grundkörper 100 und den zweiten Grundkörper 200 bilden, muss nicht gleich groß sein. Der erste Grundkörper 100 und der zweite Grundkörper 200 sind mit einem Glaslot als Fügematerial 300 fluiddicht zusammengefügt, wobei zwischen dem ersten Grundkörper 100 und dem zweiten Grundkörper 200 eine Kavität 204 gebildet ist. Das Glaslot kann mittels Siebdruck auf zu fügende Oberflächenbereiche mindestens eines der Grundkörper 100 und/oder 200 aufgebracht werden.The valve is formed from a first base body 100 and a second base body 200, each of which is formed from a plurality of layers of a ceramic material. The number of layers that form the first main body 100 and the second main body 200 does not have to be the same. The first base body 100 and the second base body 200 are joined together in a fluid-tight manner using a glass solder as the joining material 300 , a cavity 204 being formed between the first base body 100 and the second base body 200 . The glass solder can be applied to surface areas to be joined of at least one of the base bodies 100 and/or 200 by means of screen printing.

Zwischen dem ersten Grundkörper 100 und dem zweiten Grundkörper 200 ist eine kreisrunde, elastisch verformbare Membran 206, die aus einem keramischen Material gebildet ist, fixiert.A circular, elastically deformable membrane 206 formed from a ceramic material is fixed between the first base body 100 and the second base body 200 .

In dem ersten Grundkörper 100 ist in einer dem zweiten Grundkörper 200 zugewandten Wand 104 und der Oberfläche der Membran 206 eine Zuführung 102 für ein Fluid in die Kavität 204 ausgebildet. Umlaufend um die Zuführung ist ein Dichtelement 101 ausgebildet. In dem zweiten Grundkörper 200 ist eine Abführung 205 für das Fluid aus der Kavität 204 ausgebildet. Außerdem ist in der Kavität 204 eine Durchführung 207 für das Fluid in Form einer Bypassleitung ausgebildet, durch die Fluid bei vom Dichtelement 101 abgehobener Membran 206 strömen kann.A feed 102 for a fluid into the cavity 204 is formed in the first base body 100 in a wall 104 facing the second base body 200 and in the surface of the membrane 206 . A sealing element 101 is formed all around the feed. A discharge 205 for the fluid from the cavity 204 is formed in the second base body 200 . In addition, a passage 207 for the fluid in the form of a bypass line is formed in the cavity 204 through which fluid can flow when the membrane 206 is lifted from the sealing element 101 .

Zur Herstellung des Ventils wurden zunächst der erste Grundkörper 100 und der zweite Grundkörper 200 ausgebildet. Dazu wurden für den ersten Grundkörper 100 mindestens drei Schichten in Form einer Suspension, die einen pulverförmigen keramischen Werkstoff, insbesondere Al2O3, ZrO2, AIN oder Gläser enthält, durch Siebdruck in einer definierten Geometrie übereinander aufgebracht. Für den zweiten Grundkörper 200 wurden mindestens drei Schichten aus dem gleichen Werkstoff mittels Siebdruck in gleicher Form übereinander aufgebracht. Die Schichtdicke der einzelnen aufgebrachten Schichten liegt im Bereich von 10 µm bis 500 µm. In einer anderen alternativen Ausführungsform können die Schichten des ersten Grundkörpers 100 und des zweiten Grundkörpers 200 in Form von Grünfolien übereinander gestapelt und laminiert werden.To produce the valve, first the first base body 100 and the second base body 200 were formed. For this purpose, at least three layers in the form of a suspension containing a powdered ceramic material, in particular Al 2 O 3 , ZrO 2 , AlN or glasses, were applied one above the other by screen printing in a defined geometry for the first base body 100 . For the second base body 200, at least three layers made of the same material were applied one on top of the other in the same form by means of screen printing. The layer thickness of the individual layers applied is in the range from 10 μm to 500 μm. In another alternative embodiment, the layers of the first base body 100 and of the second base body 200 can be stacked on top of one another and laminated in the form of green films.

In dem ersten Grundkörper 100 wurde durch das Aufbringen der Schichten aus einem keramischen Werkstoff in einer definierten Geometrie die Zuführung 102 für das Fluid in das Ventil ausgebildet. Auf gleiche Weise wurde die Abführung 205 für das Fluid in dem zweiten Grundkörper 200 und die Kavität 204 in dem ersten Grundkörper 100 und dem zweiten Grundkörper 200 ausgebildet.The feed 102 for the fluid into the valve was formed in the first base body 100 by applying the layers of a ceramic material in a defined geometry. The outlet 205 for the fluid in the second base body 200 and the cavity 204 in the first base body 100 and the second base body 200 were formed in the same way.

Die Ausbildung der Durchführung 207 für das Fluid wurden Bereiche, die senkrecht zum Schichtaufbau ausgebildet sind, durch Aufbringen der Schichten aus dem keramischem Werkstoff in definierter Geometrie, also durch Aussparungen / Hohlräume innerhalb einer oder mehrerer Schichten erreicht. In Hohl- und Freiräumen, die eine flächige Ausdehnung innerhalb mindestens einer der Schichten aufweisen, wurden Polymere oder Oligomere oder Kohlenstoffe als weiterer Werkstoff, der bei einer thermischen Behandlung entfernt werden kann, in Form einer Paste mittels Siebdruck aufgebracht.The formation of the lead-through 207 for the fluid was achieved in areas that are formed perpendicularly to the layer structure by applying the layers made of the ceramic material in a defined geometry, ie by recesses/cavities within one or more layers. Polymers or oligomers or carbons were applied in the form of a paste by means of screen printing as a further material that can be removed during thermal treatment in cavities and free spaces that have a planar extent within at least one of the layers.

Zur Ausbildung der kreisrunden Membran 206 wurde auf der dem ersten Grundkörper 100 zugewandten Oberfläche des zweiten Grundkörpers 200 im Bereich der Kavität 204 mit Hilfe von Polymeren, Oligomeren oder Kohlenstoff als weiterer Werkstoff, der bei einer thermischen Behandlung entfernt werden kann, in Form einer Paste mittels Siebdruck in mindestens zwei Schichten mit einer Dicke im Bereich von je 10 µm bis 500 µm aufgebracht.
In der anderen alternativen Ausführungsform, bei der der zweite Grundkörper 200 mittels keramischer Folien ausgebildet wird, kann die Kavität 204 in den Schichten unterhalb der herzustellenden Membran 206 mittels Zuschnitt der keramischen Folien in einer geeigneten Geometrie und/oder durch Ablation oder Prägen der ungesinterten keramischen Folien ausgebildet werden.To form the circular membrane 206, on the surface of the second base body 200 facing the first base body 100 in the region of the cavity 204, polymers, oligomers or carbon were applied as a further material that can be removed during a thermal treatment, in the form of a paste using screen printing applied in at least two layers with a thickness in the range of 10 microns to 500 microns.
In the other alternative embodiment, in which the second base body 200 is formed using ceramic foils, the cavity 204 in the layers below the membrane 206 to be produced can be created by cutting the ceramic foils to a suitable geometry and/or by ablating or embossing the unsintered ceramic foils be formed.

Darüber wurden zur Ausbildung der elastisch verformbaren Membran 206 mindestens eine Schicht mit einem keramischen Werkstoff, insbesondere LTCC, HTCC oder Glas-Keramik-Komposit mit einer Dicke im Bereich von je 10 µm bis 500 µm mittels Siebdruck aufgebracht. Die Membran 206 kann auch in Form mindestens einer Grünfolie aufbracht und laminiert werden.
Auf dem ersten Grundkörper 100 wurde kreisförmig umlaufend um die Zuführung 102 das Dichtelement 101 aufgebracht. Das Dichtelement ist aus Glas, LTCC, HTCC oder Glas-Keramik-Komposit gebildet und wurde mittels Sieb- oder Schablonendruck in mindestens einer Schichten mit einer Schichtdicke von je 10 µm bis 500µm aufgebracht.At least one layer with a ceramic material, in particular LTCC, HTCC or glass-ceramic composite with a thickness in the range of 10 μm to 500 μm each, was applied by means of screen printing to form the elastically deformable membrane 206 . The membrane 206 can also be applied and laminated in the form of at least one green film.
The sealing element 101 was applied to the first base body 100 in a circular manner surrounding the feed 102 . The sealing element is made of glass, LTCC, HTCC or glass-ceramic composite and was applied by means of screen or stencil printing in at least one layer with a layer thickness of 10 μm to 500 μm each.

Beim Drucken der Schichten wurde eine für das Drucken geeignete Viskosität eingehalten.A viscosity suitable for printing was maintained when the layers were printed.

Die beiden Grundkörper wurden anschließend einer thermischen Behandlung unterzogen, bei der der keramische Werkstoff gesintert und die Polymere oder Oligomere oder Kohlenstoffe durch thermische Zersetzung entfernt wurde.The two base bodies were then subjected to a thermal treatment in which the ceramic material was sintered and the polymers or oligomers or carbon were removed by thermal decomposition.

Nach der thermischen Behandlung und vor dem Zusammenfügen des ersten Grundkörpers 100 und des zweiten Grundkörpers 200 wurde auf die dem ersten Grundkörper zugewandte Oberfläche der Membran 206 im Bereich des Dichtelements 101 das Verschlusselement 203 aus einem Polymer oder Oligomer aufgebracht. Das Verschlusselement wurde in einer Suspension mittels Sieb- oder Schablonendruck auf die Membran mit einer Schichtdicke von 10 µm bis 500 µm aufgebracht.After the thermal treatment and before the first base body 100 and the second base body 200 were joined together, the closure element 203 made of a polymer or oligomer was applied to the surface of the membrane 206 facing the first base body in the area of the sealing element 101 . The closure element was applied to the membrane in a suspension by means of screen or stencil printing in a layer thickness of 10 μm to 500 μm.

Der erste Grundkörper 100 und der zweite Grundkörper 200 wurden dann mittels eines Glaslotes, Epoxidharz, Silikon oder eines metallischen Lotes in Form einer Folie oder siebdruckfähigen Schicht als Fügematerial 300 zusammengefügt.The first base body 100 and the second base body 200 were then joined together as the joining material 300 by means of a glass solder, epoxy resin, silicone or a metallic solder in the form of a film or a layer which can be screen printed.

Das in 2a als Draufsicht und in 2b im Querschnitt dargestellte aktive Ventil wurde im Wesentlichen wie das in 1 dargestellte passive Ventil gefertigt. Dabei wurde vor dem Zusammenfügen des ersten Grundkörpers 100 und des zweiten Grundkörpers 200 eine mechanisch aktive Schicht, wie z.B. eine piezoelektrische Schicht oder ein elektrischer Heizer als aktorisches Element in Form einer Paste oder Suspension mittels Schablonen- oder Siebdruck aufgebracht. Die aufgebrachten Schichten werden in einem weiteren Schritt thermisch behandelt, beispielsweise gehärtet oder gesintert, und anschließend elektrisch kontaktiert. Danach erfolgt das Fügen des ersten Grundkörpers 100 und des zweiten Grundkörpers 200.This in 2a as top view and in 2 B The active valve shown in cross-section was essentially the same as that shown in 1 shown passive valve manufactured. Before the first base body 100 and the second base body 200 were joined together, a mechanically active layer, such as a piezoelectric layer or an electric heater, was applied as an actuator element in the form of a paste or suspension by means of stencil or screen printing. In a further step, the applied layers are thermally treated, for example hardened or sintered, and then electrically contacted. This is followed by the joining of the first base body 100 and the second base body 200.

Claims (16)

Ventil aus einem keramischen Werkstoff, das aus einem ersten Grundkörper (100) und einem zweiten Grundkörper (200) mittels eines Fügematerials (300) zusammengefügt ist und zwischen dem ersten und dem zweiten Grundkörper (100, 200) eine Kavität (204) ausgebildet ist, wobei der erste und der zweite Grundkörper (100, 200) jeweils aus mehreren Schichten eines keramischen Werkstoffs gebildet ist, und in dem ersten Grundkörper (100) eine Zuführung (102) für ein Fluid in die Kavität (204) in einer dem zweiten Grundkörper (200) zugewandten Wand (104) ausgebildet ist, und auf der Oberfläche der Wand (104) im Inneren der Kavität (204) ein Dichtelement (101) umlaufend um die Zuführung (102) aufgebracht ist, und in der Kavität (204) zwischen dem ersten Grundkörper (100) und dem zweiten Grundkörper (200) eine Membran (206), die aus einem keramischen Werkstoff gebildet und elastisch verformbar ist, fixiert ist, und eine Durchführung (207) für das Fluid in Form einer Bypassleitung ausgebildet ist, und in dem zweiten Grundkörper (200) eine Abführung (205) für das Fluid von der Kavität (204) aus dem Ventil heraus ausgebildet sind.Valve made of a ceramic material, which is assembled from a first base body (100) and a second base body (200) by means of a joining material (300) and a cavity (204) is formed between the first and the second base body (100, 200), whereby the first and the second base body (100, 200) are each formed from a plurality of layers of a ceramic material, and in the first primitive (100) a feed (102) for a fluid into the cavity (204) is formed in a wall (104) facing the second base body (200), and on the surface of the wall (104) inside the cavity (204) a sealing element (101) is applied circumferentially around the feed (102), and a membrane (206), which is made of a ceramic material and is elastically deformable, is fixed in the cavity (204) between the first base body (100) and the second base body (200), and a passage (207) for the fluid in Form of a bypass line is formed, and in the second base body (200) a discharge (205) for the fluid from the cavity (204) out of the valve are formed. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten aus einem keramischen Werkstoff und/oder die Membran (206) aus LTCC, HTCC, Glas und/oder Keramikkomposit gebildet ist/sind.valve after claim 1 , characterized in that the layers are made of a ceramic material and/or the membrane (206) is/are made of LTCC, HTCC, glass and/or ceramic composite. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der dem ersten Grundkörper (100) zuwandten Oberfläche der Membran (206) im Bereich des Dichtelements (101) ein Verschlusselement (203) aufgebracht ist.Valve according to one of the preceding claims, characterized in that a closure element (203) is applied to the surface of the membrane (206) facing the first base body (100) in the region of the sealing element (101). Ventil nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (203) mit einem Polymer, insbesondere mit einem Elastomer, gebildet ist.Valve according to the preceding claim , characterized in that the closure element (203) is formed with a polymer, in particular with an elastomer. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (101) aus einem Glas oder einem keramischen Werkstoff gebildet ist.Valve according to one of the preceding claims, characterized in that the sealing element (101) is formed from a glass or a ceramic material. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranfederkonstante durch die Dicke, den Querschnitt über die Fläche und/oder den Durchmesser der Membran (206) in Abhängigkeit vom Werkstoff, aus dem die Membran (206) gebildet ist, einstellbar ist.Valve according to one of the preceding claims, characterized in that the membrane spring constant can be adjusted by the thickness, the cross section over the area and/or the diameter of the membrane (206) depending on the material from which the membrane (206) is made. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Schichtdicke(n) des Dichtelements (101) und/oder des Verschlusselements (203) die Vorspannung der Membran (206) beeinflussbar ist.Valve according to one of the preceding claims, characterized in that the prestressing of the membrane (206) can be influenced by the layer thickness(es) of the sealing element (101) and/or the closure element (203). Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügematerial (300) ein Glaslot, ein Aktivlot oder ein Klebstoff ist.Valve according to one of the preceding claims, characterized in that the joining material (300) is a glass solder, an active solder or an adhesive. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Membran (206) mindestens ein aktorisch wirkendes Element (208) aufgebracht ist.Valve according to one of the preceding claims, characterized in that at least one actuating element (208) is mounted on the membrane (206). Ventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine aktorisch wirkende Element (208) ein piezoaktives, ein thermisch aktives, ein elektrisch aktives und/oder ein elektromagnetisch aktives Element ist.valve after claim 9 , characterized in that the at least one actuating element (208) is a piezoactive, a thermally active, an electrically active and/or an electromagnetically active element. Verfahren zur Herstellung eines Ventils aus einem keramischen Werkstoff nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem zur Ausbildung eines ersten Grundkörpers (100) und eines zweiten Grundkörpers (200) mehrere Schichten, die aus einem keramischen Werkstoff gebildet sind, jeweils in Form einer Suspension oder Paste, in der pulverförmiger keramischer Werkstoff und mindestens ein Binder enthalten sind, mittels Siebdruck oder Schablonendruck in einer definierten Geometrie übereinander aufgebracht werden, und dabei zur Ausbildung der Kavität (204) und der Durchführung (207) des Fluids innerhalb mindestens einer Schicht ein weiterer Werkstoff, der bei einer thermischen Behandlung entfernbar ist, in Form einer Paste oder Suspension mittels Siebdruck oder Schablonendruck in einer definierter Geometrie und Dicke aufgebracht wird, oder mehrere Schichten, die aus einem keramischen Werkstoff gebildet sind, die als Grünfolien in einer definierten Geometrie ausgebildet sind, schichtweise unter Ausbildung der Kavität (204), der Zuführung (102) für ein Fluid in die Kavität (204), der Durchführung (207) des Fluids und der Abführung (205) des Fluids aus dem zweiten Grundkörper (200) übereinander gestapelt und laminiert werden, und zur Ausbildung einer Membran (206) auf einer dem ersten Grundkörper (100) zugewandten Oberfläche des zweiten Grundkörpers (200) mindestens eine weitere Schicht aus einem keramischen Werkstoff mittels Siebdruck oder Schablonendruck für die Ausbildung der elastisch verformbaren Membran (206) aufgebracht wird, oder die Membran (206) in Form mindestens einer Schicht, die aus einem keramischen Werkstoff gebildet und als Grünfolie in einer definierten Geometrie ausgebildet ist, auf den zweiten Grundkörper (200) aufgebracht und laminiert wird, und auf der dem zweiten Grundkörper (200) zugewandten Oberfläche der Wand (104) des ersten Grundkörpers (100) in der Kavität (204) umlaufend um die Zuführung (102) ein Dichtelement (101) mit einer definierten Geometrie und Dicke in Form einer Suspension oder Paste mittels Siebdruck oder Schablonendruck oder in Form mindestens einer Grünfolie aufgebracht wird, und die Schichtaufbauten des ersten Grundkörpers (100) und des zweiten Grundkörpers (200) bei einer thermischen Wärmebehandlung gesintert werden, und falls ein weiterer Werkstoff zur Ausbildung von Kavitäten eingebracht wurde, dieser bei der thermischen Wärmebehandlung entfernt wird, und nach der thermischen Wärmebehandlung der erste Grundkörper (100) und der zweite Grundkörper (200) mit einem Fügematerial (300) zusammengefügt werden.Method of manufacturing a valve from a ceramic material according to one of the preceding claims, in which for forming a first base body (100) and a second base body (200) several layers formed from a ceramic material, each in the form of a suspension or paste containing powdered ceramic material and at least one binder, are applied one on top of the other in a defined geometry by means of screen printing or stencil printing, and to form the cavity (204) and the passage (207) of the fluid within at least one layer, another material that can be removed during thermal treatment is applied in the form of a paste or suspension by means of screen printing or stencil printing in a defined geometry and thickness, or several layers, which are formed from a ceramic material, which are designed as green films with a defined geometry, in layers forming the cavity (204), the feed (102) for a fluid into the cavity (204), the leadthrough (207) of the fluid and the removal (205) of the fluid from the second base body (200) are stacked on top of each other and laminated, and to form a membrane (206) on a surface of the second base body (200) facing the first base body (100), at least one further layer made of a ceramic material is applied by means of screen printing or stencil printing for the formation of the elastically deformable membrane (206), or the membrane (206) is applied to the second base body (200) and laminated in the form of at least one layer made of a ceramic material and designed as a green film with a defined geometry, and on the surface of the wall (104) of the first base body (100) facing the second base body (200) in the cavity (204) surrounding the inlet (102) a sealing element (101) with a defined geometry and thickness in the form of a suspension or Paste is applied by means of screen printing or stencil printing or in the form of at least one green film, and the layer structures of the first base body (100) and the second base body (200) are sintered during a thermal heat treatment, and if another material was introduced to form cavities, this is removed during the thermal heat treatment, and after the thermal heat treatment, the first base body (100) and the second base body (200) are joined together with a joining material (300). Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass nach der thermischen Wärmebehandlung und vor dem Zusammenfügen des ersten und zweiten Grundkörpers (100, 200) auf einer dem ersten Grundkörper (100) zugewandten Oberfläche der Membran (206) im Bereich des Dichtelements (101) ein Verschlusselement (203) in Form einer Suspension oder Paste mittels Siebdruck oder Schablonendruck aufgebracht wird.procedure after claim 11 , characterized in that after the thermal heat treatment and before the joining of the first and second base body (100, 200) on a surface of the membrane (206) facing the first base body (100) in the region of the sealing element (101) a closure element (203) is applied in the form of a suspension or paste by means of screen printing or stencil printing. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten aus keramischem Werkstoff mit Dicken im Bereich 10 µm bis 500 µm und/oder die Membran mit Dicken im Bereich 10 µm bis 500 µm ausgebildet werden.Method according to any of the preceding Claims 11 and 12 , characterized in that the layers of ceramic material are formed with thicknesses in the range of 10 µm to 500 µm and/or the membrane with thicknesses in the range of 10 µm to 500 µm. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die die Bereiche zum Einbringen eines weiteren Werkstoffs und/oder zur Ausbildung von Hohlräumen durch Prägen und/oder Laserablation ausgebildet werden.Method according to any of the preceding Claims 11 until 13 , characterized in that the areas for introducing another material and/or for forming cavities are formed by embossing and/or laser ablation. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Membran (206) mindestens ein aktorisch wirkendes Element (208) aufgebracht wird.Method according to any of the preceding Claims 11 until 14 , characterized in that at least one actuating element (208) is applied to the membrane (206). Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine aktorisch wirkende Element (208) mittels Siebdruck, Lamination und/oder eines Fügeprozesses auf die Membran (206) aufgebracht wird.procedure after claim 15 , characterized in that the at least one actuating element (208) is applied to the membrane (206) by means of screen printing, lamination and/or a joining process.
DE102016214883.4A 2016-08-10 2016-08-10 Valve made of a ceramic material and a method for its manufacture Expired - Fee Related DE102016214883B4 (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016214883.4A DE102016214883B4 (en) 2016-08-10 2016-08-10 Valve made of a ceramic material and a method for its manufacture
PCT/EP2017/070019 WO2018029170A1 (en) 2016-08-10 2017-08-08 Valve made of a ceramic material and method for the production thereof
EP17757482.9A EP3497357B1 (en) 2016-08-10 2017-08-08 Valve made of a ceramic material and method for the production thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016214883.4A DE102016214883B4 (en) 2016-08-10 2016-08-10 Valve made of a ceramic material and a method for its manufacture

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102016214883A1 DE102016214883A1 (en) 2018-02-15
DE102016214883B4 true DE102016214883B4 (en) 2022-03-24

Family

ID=59699663

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102016214883.4A Expired - Fee Related DE102016214883B4 (en) 2016-08-10 2016-08-10 Valve made of a ceramic material and a method for its manufacture

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP3497357B1 (en)
DE (1) DE102016214883B4 (en)
WO (1) WO2018029170A1 (en)

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0170909A1 (en) 1984-07-10 1986-02-12 Atlas Fahrzeugtechnik GmbH Piezoceramic valve plate for a low pressure injection valve and method for making it
US5785295A (en) 1996-08-27 1998-07-28 Industrial Technology Research Institute Thermally buckling control microvalve
US6123316A (en) 1996-11-27 2000-09-26 Xerox Corporation Conduit system for a valve array
US6572830B1 (en) 1998-10-09 2003-06-03 Motorola, Inc. Integrated multilayered microfludic devices and methods for making the same
WO2008058406A1 (en) 2006-11-13 2008-05-22 Inficon Gmbh Diaphragm vacuum measuring cell, and method for producing such a cell
DE102007028240B3 (en) 2007-06-20 2008-12-04 Siemens Ag Production of a ceramic multiple layered body used in the production of e.g. strip conductors comprises preparing a first ceramic green foil having openings and further ceramic green foils, bringing the green foils together and laminating
WO2010049092A1 (en) 2008-10-31 2010-05-06 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Förderung Der Angewandten Forschung Ceramic multilayer microvalve and use thereof
DE102008054220A1 (en) 2008-10-31 2010-05-06 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Micro valve for adjusting microburners, microgenerators, microreformers, microreactors, microfuel cells, and cooling or heating systems, and for use in micro-process engineering, micro-power engineering and microanalytics, has valve chamber
EP2548734A1 (en) 2011-07-18 2013-01-23 Micro Systems Engineering GmbH Multilayer ceramic structure and method for producing the same
US20130255801A1 (en) 2010-12-24 2013-10-03 Murata Manufacturing Co., Ltd. Fluid supply device

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN203395256U (en) * 2013-07-03 2014-01-15 重庆中镭科技有限公司 Gas-controlled piezoelectric ceramic driving valve plate

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0170909A1 (en) 1984-07-10 1986-02-12 Atlas Fahrzeugtechnik GmbH Piezoceramic valve plate for a low pressure injection valve and method for making it
US5785295A (en) 1996-08-27 1998-07-28 Industrial Technology Research Institute Thermally buckling control microvalve
US6123316A (en) 1996-11-27 2000-09-26 Xerox Corporation Conduit system for a valve array
US6572830B1 (en) 1998-10-09 2003-06-03 Motorola, Inc. Integrated multilayered microfludic devices and methods for making the same
WO2008058406A1 (en) 2006-11-13 2008-05-22 Inficon Gmbh Diaphragm vacuum measuring cell, and method for producing such a cell
DE102007028240B3 (en) 2007-06-20 2008-12-04 Siemens Ag Production of a ceramic multiple layered body used in the production of e.g. strip conductors comprises preparing a first ceramic green foil having openings and further ceramic green foils, bringing the green foils together and laminating
WO2010049092A1 (en) 2008-10-31 2010-05-06 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Förderung Der Angewandten Forschung Ceramic multilayer microvalve and use thereof
DE102008054220A1 (en) 2008-10-31 2010-05-06 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Micro valve for adjusting microburners, microgenerators, microreformers, microreactors, microfuel cells, and cooling or heating systems, and for use in micro-process engineering, micro-power engineering and microanalytics, has valve chamber
US20130255801A1 (en) 2010-12-24 2013-10-03 Murata Manufacturing Co., Ltd. Fluid supply device
EP2548734A1 (en) 2011-07-18 2013-01-23 Micro Systems Engineering GmbH Multilayer ceramic structure and method for producing the same

Also Published As

Publication number Publication date
EP3497357B1 (en) 2020-06-17
DE102016214883A1 (en) 2018-02-15
EP3497357A1 (en) 2019-06-19
WO2018029170A1 (en) 2018-02-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE4402119C2 (en) Process for the production of micromembrane pumps
EP2126991B1 (en) Piezoceramic multilayer actuator and method for producing it
DE60115554T2 (en) Laminated manifold of a microvalve
DE10196634T5 (en) Piezoelectric drive element and such a pump using
DE102010032799B4 (en) Micro valve with elastically deformable valve lip, manufacturing process and micropump
EP2008072B1 (en) Ceramic pressure sensors and method for producing the same
DE102011005811A1 (en) Microfluidic valve and microfluidic platform
WO2017148715A1 (en) Micromechanical sensor device and corresponding production method
DE19739722A1 (en) Rich fluid microengineered system
DE102016214883B4 (en) Valve made of a ceramic material and a method for its manufacture
EP3331700B1 (en) Method to produce a ceramic element
DE10260853A1 (en) Piezo actuator and a method for its production
EP3057707B1 (en) Measurement arrangement having a carrier element and having a sensor
DE102007051075B4 (en) Actively active or actorically active and sensitive element, process for its preparation and its use
DE102008004147A1 (en) Micropump for pumping of fluid, has diaphragm, which is extended over cross section of fluid channel, and has fluid component with passage by diaphragm
EP2936081A1 (en) Sensor for determining a process variable of a medium
EP2783143A1 (en) Microfluidic membrane-valve device, and a corresponding production method
DE102005012415B4 (en) Process engineering functional element from a film stack
DE10335492B4 (en) Method for selectively connecting microstructured parts
DE19841785C2 (en) Process for producing a body with microstructures from thermally sprayed material
DE10260544B4 (en) Multilayer microvalve
DE102018103372A1 (en) Process for the preparation of a micro-electro-fluidic module and its use
DE102015101430A1 (en) Three-dimensional hybrid coating systems
EP3530343A1 (en) Method for producing a ceramic filter device, manufacturing device for carrying out the method and filter device
DE102010013611A1 (en) Hybrid actuator element e.g. electrostatic actuator, for actuating high temperature prevail or aggressive fluid in fluid system, has deflection element and housing part that comprise sintering layers, and arms made of ceramic layers

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R082 Change of representative

Representative=s name: PFENNING, MEINIG & PARTNER MBB PATENTANWAELTE, DE

R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee